Влияние технологии отливки на микроструктуру чугуна в гильзах

Влияние скорости охлаждения, технологии формы и конструкции отливки на механические свойства чугуна

где а и с— коэффициенты однородности (квазиизотропии);

k и m — коэффициенты пропорциональности;

R — приведенная толщина;

т — продолжительность охлаждения, в частности затвердевания.

В логарифмических координатах эта зависимость изображается, как видно из рис. 223, а, прямой, уклон которой, а следовательно, и абсолютное значение а уменьшается по мере повышения марки серого чугуна:

где т — продолжительность затвердевания;

k, a и m — коэффициенты.

Частным примером такой зависимости может служить формула, в которой вместо т использована средняя скорость затвердевания отливки (vcp в мм/мин),

где окл — предел прочности при давлении в клиньях.

В соответствии с (III.45) и (III.46) находится часто приводимая в литературе формула, устанавливающая зависимость между прочностью серого чугуна, его составом (углеродным эквивалентом) и приведенной толщиной отливок (R мм), которую в несколько преобразованном виде можно представить так:

Хотя, как видно из этих данных, отдельные значения механических свойств стали выше, чем у чугуна, но зато они характеризуются большим разбросом, а низшие значения свойств, определяющие по существу качество отливки, в обоих отливках практически одинаковы.

Интересно отметить, что циклическая вязкость высокопрочного чугуна очень мало изменяется с увеличением толщины отливок, в то время как в сером чугуне она резко повышается вследствие укрупнения графита:

Эффект воздействия скорости охлаждения является главной причиной несоответствия в свойствах отливок и отдельно отливаемых образцов. Чтобы уменьшить это несоответствие, многие стандарты рекомендуют разные по сечению заготовки для образцов в зависимости от толщины стенок отливок. В наиболее грубой и приближенной форме это приводит к обеспечению одинаковой приведенной толщины заготовки и отливки (II.58).

Однако в большинстве случаев для этого рекомендуются меньшие соотношения, особенно для толстостенных отливок, что обусловлено главным образом экономическими соображениями:

где индекс 1 относится к отливке, а 2 — к образцу;

q — коэффициент, определенный разными исследованиями в пределах 1,5—1,6;

i — так называемый механический инвариант массы.

Таким образом, определив значение i по результатам испытания образцов (принимая при этом q = 1,5/1,6), можно на основе предварительного определения твердости отливки легко рассчитать ее прочность. Если же известна только твердость отливки, то прочность ее может быть определена на основе примерных значений i, приведенных в табл. 25.

где d — удельный вес жидкого чугуна, равный 6,8 Г/см3 (0,0068 кГ/м3);

w — угловая скорость вращения, равная 2пn/60 (n — число оборотов в минуту);

r1 — наружный радиус отливки;

r2 — внутренний радиус отливки;

g — ускорение, равное 981 см/сек2.

Таким образом, для втулки или трубы со значениями r1 = 20 см и r2 = 18 см центробежное давление при n = 500 об/мин составляет

В то же время отмечается, что на дизельных гильзах разница в механических свойствах при заливке стационарным и центробежным способами при одном и том же материале формы не найдена. Поэтому нужно полагать, что преимущества центробежного способа литья выявляются главным образом тогда, когда технологический процесс стационарной формы не обеспечивает получения здоровой отливки или когда неправильно сопоставляются свойства чугуна при стационарной песчаной и центробежной металлической формах.

Значительные преимущества представляет также непрерывное литье заготовок, что обусловлено ускоренным охлаждением, лучшим питанием и меньшим количеством газовых и неметаллических включений. Непрерывное литье обеспечивает сравнительно равномерные свойства по сечению отливок, в то время как при центробежном способе внутренние слои заготовок характеризуются более низкими свойствами по сравнению не только с наружным, но даже со статически залитым металлом.

Что касается пластического деформирования, то оно применяется еще редко, хотя приводит к значительному повышению механических свойств чугуна. Наилучшие результаты получаются при деформировании белого чугуна при температуре около 1000°C (рис. 229). Серый и тем более высокопрочный чугуны также допускают такую обработку давлением при малых степенях обжатия. По исследованиям И.Н. Богачева прочность высокопрочного чугуна повышается при 10-процентном обжатии на 7—8 кГ/мм2.

Большее практическое применение имеет армирование, как процесс механического повышения свойств чугунных отливок. При этом наиболее целесообразно закладывать арматуру (из мягкой стали) в тех частях отливок, которые работают на растяжение. Такой чугун, армированный 3—5% арматуры, характеризуется повышенной статической и динамической прочностью. Интересно отметить, что армированные отливки могут воспринимать возрастающую нагрузку даже после того, как образовалась трещина и что свойства этих отливок мало зависят от свойств чугуна.

Наконец, в ряде случаев, особенно при испытании на усталость, технология формы может оказать то или иное влияние на свойства отливок в зависимости от качества поверхности, так как грубая необработанная поверхность действует при испытании подобно многочисленным надрезам. Однако такое влияние может быть замечено только на высоких марках чугуна, характеризующихся повышенной чувствительностью к надрезам и при знакопеременных и ударных испытаниях. В других же случаях механические свойства отливок обусловливаются обычно не качеством поверхности, а отсутствием или наличием литейных пороков.

Наряду с технологией формы имеет значение и конструкция отливки, один из элементов которой — толщина стенок — был уже ранее рассмотрен. Однако на прочность отливки оказывает влияние не только ее толщина, но и вся конфигурация в целом. Следует прежде всего указать на то, что коэффициенты эквивалентности при неравномерном распределении напряжений (изгибе и кручении) зависят от формы сечения. Как видно из рис. 230, а, наиболее выгодным сечением является круглое. По мере же перемещения массы металла к наиболее нагруженным слоям сечения коэффициенты эквивалентности понижаются и выгодность сечения уменьшается.

В этом отношении интересно отметить исследования Г.В. Черткова, показавшего, что соотношение между пределами прочности при изгибе образцов любого сечения и цилиндрического (ou:ou°) может быть определено следующим образом:

где К1 = 2S/W — критерий формы сечения (Sz — статический момент половины площади сечения образца относительно оси, проходящей через центр тяжести перпендикулярно к плоскости изгиба);

W — момент сопротивления сечения; I,76 — критерий K1 для круглого сечения;

К2 = R°/R — критерий скорости охлаждения (R° — приведенная толщина цилиндра с таким же W, как у данной отливки; R — приведенная толщина отливки);

m — показатель степени, определяющий влияние скорости охлаждения на ou.

В табл. 28 приводятся рассчитанные по формуле (III.52) критерии K1 и K2 и критерий (К) их общего влияния на прочность при изгибе. Расчетные значения удовлетворительно совпадают с практическими данными.

Дефекты отливок – Отклонения микроструктуры

Отклонения микроструктуры.

Отклонения микроструктуры сплавов, как правило, являются следствием отклонений в химическом составе и реже связаны с наличием газов и неметаллических включений, содержание которых зависит от качества применяемых шихтовых материалов и условий плавки.

Отбел является дефектом структуры отливок из серого чугуна. Он четко выявляется в изломе отливок в виде светлых участков на фоне более темных (от светло- до темно-серого цвета) участковхарактерных для серого чугуна Отбел обнаруживается и тонких частях отливок или около остроугольных кромок. Причина образования отбела — пониженное содержание углерода и кремния в чугуне или повышенное содержание карбидообразующих элементов: хрома, титана, марганца, ванадия, которые могут попасть в чугун из чушковых чугунов или легированного стального лома.

Образование отбела в тонких частях отливок при нормальном колебании содержания углерода, кремния и легирующих элементов в чугуне иногда является следствием того, что в литейных цехах один и тот же расплав используют для получения отливок различного сечения, требования к структуре которых одинаковы. При этом химический состав выбирают в расчете на среднее сече-пне, что усугубляет опасность получения отбела в наиболее тонких частях тонкостенных отливок.

Для предупреждения отбела чугун в ковше модифицируют добавками ферросилиция, силико-кальция, графита. Количество модификатора составляет 0,2—0,8% металла. Наиболее эффективно модифицирование температуре не ниже 1380—1420°С.

На образование отбела в особо тонкостенных отливках, например поршневых кольцах, влияет температура заливки. Снижение температуры заливки ниже 1400° С часто приводит к образованию отбела, так как при этом увеличивается скорость охлаждения чугуна.

При литье чугуна в металлические формы (кокили) часто возникает отбел, что связано с высокой скоростью охлаждения при кристаллизации сплава. Для предупреждения отбела полость металлических форм окрашивают теплоизолирующими красками н подогревают перед заливкой до температуры 500—600° С. Если невозможно стабилизировать температуру металлической формы перед заливкой, следует на стенки формы наносить теплоизолирующие покрытия большой толщины (от 2 до 10 мм).

Отсер является характерным дефектом отливок из белого чугуна и заключается в выделении в массивных частях отливок первичного графита в процессе кристаллизации расплава. Причина образования отсера в отливках белого чугуна — повышенное для отливок данного сечения содержание углерода и кремния. Если чугун модифицируют бором и алюминием, то одновременно для предупреждения образования отсера в массивных сечениях вводят 0,005—0,025% висмута. К дефектам структуры графита в отливках из серого чугуна относятся: грубые крупные пластинки графита и графит точечный, расположенный по границам зерен. Эти неблагоприятные формы графита резко ухудшают механические свойства и износостойкость (чугунные детали в основном работают на износ). Крупные пластинки графита снижают механические свойства чугуна и герметичность отливок.

Причиной появления крупных грубых пластинок графита в структуре серого чугуна, выплавленного в вагранке, чаще, всего является грубая структура графита в исходном чушковом чугуне. Выбор чушковых чугунов для получения ответственных отливок типа гильз, блоков, головок цилиндров двигателей и компрессоров должен производиться с учетом не только их химического состава, но и исходной структуры чушковых доменных чугунов. Точечный междендритный графит в отливках получается при высоких скоростях охлаждения чугуна в форме, например при литье в металлические формы.

При вводе магния его усвоение зависит от метода ввода. При этом следует учитывать, что усвоение магния существенно зависит от температуры расплава: чем она выше, тем меньше усвоение.

Ввод в чугун вместе с магнием или магниевой лигатурой 0,1% церия нейтрализует вредное действие перечисленных элементов.

Влияние технологии отливки на микроструктуру чугуна в гильзах

Проведено компьютерное моделирование кристаллизации отливок втулок цилиндров судовых дизелей большой мощности в соответствии с действующей технологией их получения, на основании которого сделаны рекомен-дации по совершенствованию техпроцесса.

В настоящее время отливки втулок гильз цилиндров судовых дизелей большой мощно-сти в ЗАО «УК «БМЗ» изготовляют из специального серого низколегированного чугуна марок PVA, «Таркаллой», «Таркаллой С». Толщина стенок таких отливок достигает 151 мм, длина – 3 м, масса составляет от 3000 до 7500 кг. Отливки втулок изготовляются в моноформах из двух половинок (по высоте отливок), получаемых шаблонной заточкой из песчано-шамотной смеси (рис.1). Такие формы не имеют равномерной плотности и имеют в разных частях разную толщину смеси, поэтому обладают неравномерной теплопроводностью, что не обеспечивает равномерный отвод тепла по высоте и всей по-верхности отливок.

Читайте также:  Замена лобового стекла
Рис. 1. Эскиз технологии получения отливки втулки гильзы цилиндра судового дизеля ДБ72:
1 – литниковый стержень;
2- прибыль;
3 – кольцо для образцов;
4 – холодильники 60x20x400мм (50шт на 1ряд);
5 – холодильники 60x20x170мм (28шт);
6 – центровой стержень;
7 – патрон;
8 – обработанная втулка;
9 – отливка втулки;
10 – формовочная смесь;
11 – ребро опоки;
12 – опока

Анализ данных о браке отливок втулок, изготовленных в ЗАО «УК «БМЗ» за ряд лет, показал, что по рыхлоте и гидротечи брак достигал 20%. В связи с этим появилась необходимость проведения анализа и оптимизации существующей литейной технологии.

Исследования показывают, что на формирование микроструктуры и свойств чугуна массивных отливок типа втулок влияет множество факторов [1], характер и степень влияния которых можно адекватно оценить только методами компьютерного моделирования.

С целью установления влияния химического состава на структурное строение и свойства чугуна отливок втулок провели регрессионный анализ свойств отливок втулок, химический состав которых находится в допустимых техническими условиями пределах. В результате получили математические зависимости. На их основе определили, что при среднем химическом составе втулочного чугуна не обеспечиваются требуемые механические свойства и структура отливок втулок.

Варьирование только химического состава не решает данной проблемы, так как в усло-виях производства он может быть разным в каждой отливке. Поэтому возникла необходи-мость разработать и апробировать в условиях производства и другие способы управления структурой и свойствами втулочного чугуна.

Существенное влияние на механические свойства втулочного чугуна, особенно на его прочность, оказывает наличие в его структуре пористости, которая зависит в значительной степени от жидкотекучести и усадки чугуна. Усадочная пористость зависит от многих факто-ров, однако применительно к втулочному чугуну, как показывают исследования, – в основ-ном от химического состава и режима затвердевания металла в форме. Существующая техно-логия приводит к малой скорости затвердевания при малом температурном градиенте отливки в форме.

Длительная кристаллизация жидкого чугуна отливки втулки и последующее её очень медленное охлаждение до выбивки из формы (в течение 15-20ч) приводит к формированию в ней крупнозернистой структуры, неблагоприятной формы включений графита (в виде круп-ных веток), образованию усадочных пор, снижающих прочность металла.

С учётом изложенного проведено компьютерное моделирование охлаждения и затвер-девания отливки втулки ДБ72 в существующей форме по действующему техпроцессу с ис-пользованием программы Solid Cast. Данная отливка изготовляется в соответствии с ТУ из специального низколегированного серого чугуна марки «Таркаллой C» (прочность металла >= 250 МПа, толщина стенок – от 76 до 131 мм, масса – 3700 кг). Для повышения точности моделирования по специально разработанной нами методике определены основные теплофизические свойства втулочного чугуна и различных составов форм.

По результатам моделирования ярко выраженных концентрированных усадочных рако-вин, выходящих за пределы прибыли отливки, выявлено не было. Однако наблюдаются де-фекты, предположительно в виде пористости, на границе перехода от массивного к более тонкостенному сечению (рис.2). Для уточнения возможных причин брака рассмотрели до-полнительные расчётные параметры.

Рис. 2. Возможные места дефектов усадочного происхождения

Согласно рис.3, наиболее высокая скорость охлаждения достигается в местах проста-новки холодильников, однако между холодильниками скорость охлаждения значительно ниже, т.е. в этих местах образуются локальные тепловые узлы, где кристаллизация происходит позднее. Можно предположить, что обнаруживаемое при контроле образование мелких пор и раковин, выходящих на внутреннюю поверхность отливки втулки, связано с возникновением таких зон.

Рис. 3. Интенсивность охлаждения по сечению отливки

Время затвердевания металла отливки позволяет проследить динамику процессов затвердевания в отливке и локализовать изолированные зоны расплавленного металла. Из рис.4 видно, что металл в районе нижнего ряда холодильников полностью кристаллизуется через 160 мин после начала заливки, а массивная часть, через которую происходит питание этого участка, – уже через 30 мин.

Рис.4. Время достижения полностью твёрдого состояния отливки

Это свидетельствует о наличии изолированных объёмов жидкого металла в процессе кристаллизации (рис. 5). Можно предположить, что жидкая фаза в районе нижнего ряда хо-лодильников способна привести к появлению небольших раковин или пористости в теле отливки.

Для выяснения эффективности работы холодильников и их влияния на процесс кристаллизации проведено моделирование процесса кристаллизации отливки втулки без холодильников.

Рис. 5. Объёмы жидко-го металла через 12 мин после окончания заливки (показаны тёмным цветом)

Такое моделирование показало, что ярко выраженные дефекты, такие как усадочные раковины и пористость, выходящие за пределы прибыли, отсутствуют. Однако кристаллизация отливки в её подприбыльной части будет проходить в этом случае в последнюю очередь. Так, из рис. 6 видно, что примерно через 500 мин после начала заливки твёрдо-жидкая фаза сохраняется в подприбыльной части отливки. Это может приводить к образованию в данной зоне дефектов в виде пористости и рыхлот.

Рис. 6. Твёрдо-жидкая фаза через 500 мин после начала заливки в форме без холодильников (по-казана тёмным цветом)

Итак, большая масса отливок втулок и разные теплофизические свойства формы по её длине обусловливают разную скорость кристаллизации в разных частях отливки. Это при-водит к формированию неравномерной структуры графита и металлической основы в разных частях отливки втулки. В процессе кристаллизации наблюдаются изолированные объёмы жидкого металла, что свидетельствует о неэффективной работе прибыли отливки. В резуль-тате в рабочей зоне втулки образуется усадочная пористость и рыхлота, чему дополнительно способствует и простановка мощных холодильников в некоторых зонах формы, поэтому не-обходимо изменять технологию получения отливок втулок в следующих направлениях:

МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ

6.1. Цель работы:

− изучить особенности микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов;

− установить зависимость свойств от состава и структуры.

Теоретическое обоснование

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода свыше 2,14 % и постоянные примеси (Si, Mn, P, S) и затвердевающие с образованием эвтектики, называемой ледебуритом.

Чугун отличается от стали составом (более высоким содержанием углерода), лучшими литейными свойствами (жидкотекучесть, температура плавления), малой величиной пластической деформации, низкой ценой. Поэтому он получил широкое распространение в машиностроении − используется для производства качественных отливок сложной формы.

Углерод в структуре чугунов может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита (Fe3C) и в свободном состоянии в виде графита.

В зависимости от формы присутствующего углерода, т. е. в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, различают чугуны:

− серые (СЧ);

− ковкие (КЧ);

− высокопрочные (ВЧ).

В зависимости от формы включений графита чугуны бывают:

− с пластинчатым (СЧ) графитом;

− с хлопьевидным (КЧ) графитом;

− с шаровидным (ВЧ) графитом;

− с вермикулярным (червеобразным) графитом.

По характеру металлической основы чугуны подразделяются на:

По назначению чугуныделятся:

− со специальными свойствами.

По химическому составу чугуны бывают:

Белый чугун

В нем весь углерод находится в химически связанном состоянии и при нормальной температуре состоит из перлита и цементита. Свое название чугун получил по матово-белому цвету излома. Образуется при быстром охлаждении сплава.

Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (HB 450-550), хрупки, плохо обрабатываются резанием и для изготовления деталей машин почти не используются.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и другие детали, работающие в условиях износа.

В соответствии с диаграммой FeFe3C белые чугуны могут быть:

− доэвтектическими (2,14 4,3%). Структура доэвтектического чугуна (рис.6.1, а) при комнатной температуре состоит из перлита (П), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII). Темные большие участки на микрошлифе − перлит. Участки с точечными темными вкраплениями или пластинами − ледебурит. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита, а частично виден в виде светлых выделений по границам перлитных областей.

Структура эвтектического белого чугуна (рис. 6.1, б) представлена ледебуритом (Л). На микрошлифе − пластины цементита со столбиками аустенита в них.

Структура заэвтектического белого чугуна (рис. 6.1, в) при комнатной температуре состоит из ледебурита (Л) и цементита первичного (ЦI).

Серый чугун

Серый чугун − это сплав сложного химического состава: 3,2-3,8 % С, 1-5 % Si, 0,5-0,9 % Мп, 0,2-0,4 % Р, до 0,12 % S. В сером чугуне углерод находится и в свободном состоянии в виде графита и, частично, в химически связанном состоянии в виде цементита перлитной фазы. Название серого чугуна определяется наличием в изломе либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита.

Факторами, способствующими графитизации (выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu (препятствуют графитизации Mn, S, Cr, W).

Практически, изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации.

а)

б)

в)

Рис. 6.1. Микроструктура и схематическое изображение белого чугуна:

а – доэвтектический; б – эвтектический; в − заэвтектический

Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, повышенную износоустойчивость, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы.

Структура серого чугуна при получении отливок формируется в процессе медленного охлаждения, поэтому цементит, будучи при высоких температурах неустойчивым химическим соединением, распадается с образованием графита:

Fe3C → Feγ(C) + C (графит) при температуре выше линии PSK;

Fe3C → Feα(C) + C (графит) при температурах ниже линии РSК.

Чем больше скорость охлаждения, тем в меньшей степени успевает произойти процесс графитизации.

По характеру металлической основы серые чугуны различаются на:

Ферритный чугун (рис. 6.2, а) имеет в структуре феррит (Ф) и графит (Г). Светлое поле микрошлифа − феррит, темные крупные прожилки (пластинки) − графит.

Феррито-перлитный чугун (рис. 6.2, б) имеет в структуре перлит (П), феррит (Ф) и графит (Г). Серый фон в поле микрошлифа − перлит, светлый − феррит и темные крупные прожилки − графит.

Перлитный чугун (рис. 6.2, в) состоит из перлита (П) и графита (Г). Основное серое поле микрошлифа − пластинчатый перлит, темные и крупные прожилки − пластинчатый графит.

Читайте также:  Где можно взять кредит на любой автомобиль

Таким образом, структура серого чугуна представляет собой стальную основу, пронизанную графитовыми включениями.

Рис. 6.2. Микроструктура и графическое изображение серого чугуна с крупнопластинчатым графитом на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах

Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов и др.

Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.

Согласно ГОСТ 1412-85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение.

Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σb = 250 МПа; твердость НВ180-250 и структура металлической основы – Ф + П.

В структуре серых чугунов имеется фосфидная эвтектика, сернистые включения, шлаки, песчинки, поры и др. Фосфор в количестве 0,3 % растворяется в феррите. При большей концентрации он образует с железом и углеродом тройную “фосфидную” эвтектику c низкой температурой плавления (950 °С), что увеличивает жидкотекучесть чугуна, но приводит к высокой твердости и хрупкости после кристаллизации. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках с высокой износостойкостью.

Модифицированный серый чугун. Отличается от серых чугунов размером, формой, распределением в структуре графитовых включений (перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита).

Получают его из серого чугуна с пониженным содержанием углерода, добавляя в расплав модификаторы: ферросилиций, алюминий, силикокальций, магний и др. Они способствуют получению мелких изолированных и равномерно распределенных включений графита. Кроме того, приводят к устранению отбела чугуна и получению перлитной однородной металлической основы.

Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают повышенной прочностью и износостойкостью, хорошо обрабатываются резанием, их свойства меньше зависят от толщины стенок отливки, они имеют высокую теплостойкостью.

Их применяют при высоких нагрузках (зубчатые колеса, гильзы двигателей, шпиндели, распределительные валы и пр.) или для деталей топок и паровых котлов.

Ковкий чугун

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Обычный химический состав ковких чугунов: 2,4-2,8 % С; 0,8-1,4 % Si; 1% Мп; 0,1 % S; 0,2 % Р.

Их получают путем специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме (рис. 6.3).

В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на феррит и графит хлопьевидной формы.

При температуре 950-1000 °С происходит графитизация эвтектического и избыточного цементита (превращение метастабильного цементита в стабильный графит и аустенит).

При второй выдержке при температуре 720-740 °С графитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда проводят медленное охлаждение от 770 °С до 700 °С в течение 30 часов при этом происходит кристаллизация по стабильной диаграмме). В результате продолжительного отжига весь углерод выделяется в свободном состоянии.

Рис. 6.3. Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отсутствие линейных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная хлопьевидная форма и изолированность графитных включений обуславливают высокие механические свойства ковких чугунов. Они более стойки при ударах и изгибе, чем серые, и имеют высокие пластические свойства.

По характеру металлической основы ковкие чугуны различают на:

− феррито-перлитные (рис. 6.4, б);

Рис. 6.4. Микроструктура ковкого чугуна:

а – ферритная основа, б – ферритно-перлитная основа

Ферритный ковкий чугун КЧ30-6; КЧ33-8; КЧ35-10; КЧ37-12 получают из чугуна белого с содержанием углерода не более 2,5 %, а перлитный КЧ45-7; КЧ50-5; КЧ55-4; КЧ60-3; КЧ65-3; КЧ70-2; КЧ80-1,5 − из белого чугуна, в котором углерода не более 3,2 %.

Маркируют ковкие чугуны по ГОСТ 1215-79 буквами КЧ и двумя числами, первое из которых − минимальный предел прочности на растяжение в десятках мегапаскалей, а второе − относительное удлинение в %.

Например, ковкий чугун КЧ 45-7 имеет временное сопротивление при растяжении 450 МПа, относительное удлинение δ = 7 %, НВ 240 и структуру – Ф + П.

Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки (головки соединительных рукавов воздушной тормозной магистрали, корпусы вентилей, клапаны, муфты, картеры редукторов, коленчатые валы и др.).

Высокопрочный чугун

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттрием и ферросилицием, которые вводят в жидкий серый чугун в небольшом количестве 0,02-0,08 %. Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7-3,8 % С; 1,6-2,7 % Si; 0,2-0,7 % Мn; 0,02 % S; 0,1 % Р.

По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть:

− ферритным (до 20 % перлита) − ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45;

− перлитным (до 20 % феррита) − ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.

Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна (рис. 6.5). Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью, хорошей износостойкостью, антифрикционностью и некоторой пластичностью. Он является хорошим заменителем литой стали, ковкого чугуна, сплавов цветных металлов.

Рис. 6.5. Микроструктура высокопрочного чугуна на феррито-перлитной основе

Маркируют высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мегапаскалей.

Например, ВЧ40 − высокопрочный чугун, имеет временное сопротивление при растяжении 400 MПa, относительное удлинение − не менее 10 %, твердость НВ140-220, структура ферритная.

Маркировка по предшествующему ГОСТ 7293-79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах, например, ВЧ40-10.

Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы, шатуны двигателей внутреннего сгорания и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

Легированные чугуны

Легированные чугуны получают введением в процессе выплавки в состав чугуна (чаще серого) никеля, хрома, марганца, ванадия, титана, меди и других легирующих элементов, которые способствуют измельчению перлита и графита в его структуре.

По количеству легирующих элементов чугуны подразделяются на:

− низколегированные, имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы;

− высоколегированные − аустенитную или ферритную.

По основному легирующему элементу легированные чугуны различают:

− алюминиевые и др.

Легированием достигается улучшение прочностных и эксплуатационных характеристик чугуна и особых свойств: износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости, немагнитности и др.

Порядок выполнения работы

1. Начертить правую часть и обозначить стабильное равновесие Fe-Fe3C пунктирными линиями. Описать процессы превращений из жидкого расплава, происходящее при охлаждении белых чугунов с различными содержаниями углерода.

2. Подготовленный микрошлиф установить на предметный столик металлографического микроскопа. Настроить резкость с помощью макро-, а затем микровинта. Рассмотреть различные поверхности микрошлифа, выбрать и зарисовать поверхность с наиболее четко выраженной микроструктурой.

3. В исследуемых микрошлифах белого, серого, высокопрочного и ковкого чугунов определить (приблизительно) содержание связанного углерода по количеству перлитной фазы.

4. Сделать заключение о зависимости свойств чугунов от формы графитовых включений и фазового состава металлической основы.

Содержание отчета

1. Название работы и цель.

2. Диаграмма состояния Fe-Fe3C (чугунный участок).

3. Схема отжига белого чугуна на ковкий.

3. Микроструктуры чугунов и их описание.

6.5. Оборудование и материалы:

металлографический микроскоп;

− диаграмма состояния Fe-Fe3C;

− структурные диаграммы чугунов в зависимости от содержания углерода и кремния и толщины стенок отливок;

− комплекты микрошлифов нетравленных и травленных чугунов.

6.6. Контрольные вопросы

1. Какие сплавы относятся к чугунам?

2. На какие группы подразделяют чугуны?

3. В чем сущность эвтектического превращения в чугунах?

4. Какой углерод называется свободным и химически связанным?

5. Почему белый чугун имеет ограниченное использование?

6. В чем принципиальное отличие между белым и серым чугунами?

7. Основные формы графитовых включений и в каких чугунах они встречаются?

8. Виды металлических основ в серых, ковких и высокопрочных чугунах.

9. Маркировка серых, ковких и высокопрочных чугунов.

10. Основные структурные составляющие белых чугунов.

11. Скажите, фосфидная эвтектика чугунов влияет на свойства?

12. Графит какой формы менее всего ослабляет металлическую основу чугуна?

13. Способы получения серого и высокопрочного чугунов.

14. При каких условиях образуется хлопьевидный графит в ковком чугуне?

15. Какие преимущества имеют чугуны перед сталями?

16. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом доэвтектическом чугуне?

17. Сколько структурных составляющих, можно увидеть при комнатной температуре в белом эвтектическом чугуне?

18. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом заэвтектическом чугуне?

Литература

1. Гуляев А. П. Металловедение. − М.: Металллургия, 1986. – 542 с.

2. Арзамасов Б. И. Материаловедение. − М.: Машиностроение, 1986.

3. Лахтин Ю. М., Леонтьева Б. П. Материаловедение. − М.: Машиностроение, 1990. – 493 с.

4. Основы материаловедения. Под ред. И.И.Сидорина. − М.: Машиностроение, 1976.

5. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. − М.: Металлургия, 1983.

6. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. − М.: Металлургия, 1984. − 359 с.

7. Руководство к лабораторным работам по материаловедению. Под ред. И. И.Сидорина. − М.: Высшая школа, 1967.

Статьи

Микроструктура чугунов (табл. 1) зависит от скорости охлаждения металла: при быстром охлаждении будет белый чугун (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита), а при медленном охлаждении будет серый чугун (углерод находится в виде графита).

Табл. 1. Марки и механические свойства чугуна разлиных типов.

ГруппаМарка чугунаσВ, МПаНВδ
серыеСЧ10100120. 150
СЧ15150130. 241
...
СЧ35350179. 290
ВысокопрочныеВЧ35350140. 17022
ВЧ40400140. 20215
....
ВЧ1001000270. 3602
КовкиеКЧ30-63001636
КЧ33-83301638
КЧ37-1237016312
....
КЧ63-26302692

Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5 % Si.

Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна.

Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна.

Читайте также:  Замена гильз и деталей шатунно-поршневой группы двигателя

Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%.

Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 2).

В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных – шаровидную, а в ковких – хлопьевидную.П римеры обозначения чугунов:

Табл. 2 – Влияние химических элементов на свойства чугуна

Серый чугунВысокопрочный чугунКовкий чугун
Углерод
Повышенное содержание углерода приводит к уменьшению прочности, твердости и увеличению пластичности; углерод улучшает литейные свойства чугунаУвеличенное содержание углерода улучшает литейные свойства чугунаУглерод – основной регулятор механических свойств ковкого чугуна; чугун обладает низкой жидкотекучестью и требует высокого перегрева
Кремний
Кремний (с учетом содержания углерода) способствует выделению графита и снижает твердость, а также уменьшает усадку; повышенное содержание кремния снижает пластичность и несколько увеличивает твердостьС повышением содержания кремния возрастает предел прочности при растяжении, при дальнейшем увеличении содержания – уменьшаются предел прочности при растяжении и относительное удлинениеДля ферритного ковкового чугуна суммарное содержание кремния и углерода должно быть 3,7-4,1%. Содержание кремния зависит от количества углерода и толщины стенки. При содержании кремния до 1,5% механические свойства сплава повышаются
Марганец
Марганец тормозит выделение графита, способствует размельчению перлита и отбеливанию чугуна; взаимодействуя с серой, нейтрализует ее вредное действие. Механические свойства чугуна повышаются при содержании марганца до 0,7-1,3 %, а при дальнейшем увеличении – снижаются. Марганец увеличивает усадку сплаваС повышением содержания марганца уменьшается доля феррита и увеличивается количество перлита; при этом повышается предел прочности при растяжении и уменьшается относительное удлинение. Для повышения износостойкости содержание марганца увеличивают до 1,0- 1,3%Марганец увеличивает количество связанного углерода, повышает прочность феррита. При повышении содержания марганца до 0,8-1,4% увеличивается количество перлита, прочность сплава повышается, но резко падает пластичность и ударная вязкость. В ферритном чугуне содержание марганца не должно превышать 0,6%, в перлитном – 1,0%
Магний
Для образования графита шаровидной формы содержание магния должно быть не ниже 0,03%, а церия не ниже 0,02% (остаточное содержание). При более низком содержании не весь графит получает шаровидную форму; часть его содержится в виде пластинок, что снижает механические свойства сплава. При повышенном содержании магния (и церия) в структуре сплава образуется цементит и, следовательно, снижаются механические свойства. Оптимальное содержание остаточного магния – 0,04-0,08%
Сера
Сера снижает прочность и пластичность, но несколько повышает износостойкость сплава, считается вредной примесью, придает чугуну красноломкость (образование трещин при высоких температурах), препятствует выделению графитаЧем выше содержание серы в исходном чугуне, тем труднее получить полностью шаровидную форму графита и, следовательно, высокие механические свойстваСодержание серы в ферритном ковком чугуне, модифицированном алюминием, может быть повышено до 0,2 %; при этом механические свойства возрастают за счет улучшения формы графита. Определяющее влияние на механические свойства чугуна оказывает отношение содержания марганца и серы, которое должно быть в пределах 0,8-3,0
Фосфор
Фосфор на процесс графитизации углерода влияет слабо, но повышает жидкотекучесть сплава, придает чугуну хладноломкость, т. е. хрупкостьФосфор оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства. Чтобы получить чугун с высокой пластичностью, содержание фосфора не должно превышать 0,08%. Для получения чугуна с невысокой пластичностью содержание фосфора увеличивают до 0,12-0,15%Фосфор оказывает такое же, как для серого чугуна влияние на структуру и механические свойства сплава
Никель
Никель – легирующий элемент, благоприятно влияет на выравнивание механических свойств в отливках с различной толщиной стенок, повышает твердость на 10 НВ. С увеличением содержания никеля возрастает коррозионная стойкость и улучшается обрабатываемость сплаваНикель влияет на тепло- и электропроводность, а также на коррозионную стойкость и жаростойкость сплава. С увеличением содержания никеля эти свойства повышаютсяНикель способствует графитизации углерода и увеличивает количество перлита в металлической основе сплава
Хром
Хром – карбидообразующий элемент. С увеличением хрома растет прочность и твердость отливок, замедляется процесс графитизации углеродаС увеличением содержания хрома в определенных пределах повышается жаростойкость, коррозионная стойкость и износостойкость сплаваХром замедляет процесс графитизации углерода. Содержание хрома в сплаве не превышает 0,06-0,08%; повышение содержания до 0,1 -0,12% приводит к образованию в структуре сплава стойких карбидов
Молибден
Молибден – легирующий элемент; замедляет процесс графитизации углерода и способствует карбидообразованию. С увеличением содержания молибдена повышается твердость без ухудшения обрабатываемости и возрастает сопротивление износуМолибден способствует измельчению перлита и графитовых включений, увеличивает предел прочности на 3-7 кгс/мм 2 при содержании молибдена 0,5%; замедляет процесс графитизации углерода
Медь
Медь способствует графитизации углерода, увеличивает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость сплаваПри содержании в сплаве 1 % меди прочность при растяжении повышается до 40%, а текучесть – до 50 % и соответственно при 2% меди – до 65% и до 70%. Содержание меди более 2% препятствует образованию в структуре сплава шаровидного графитаМедь способствует графитизации углерода и увеличивает содержание в сплаве перлита

Небольшие количества множества элементов могут попасть в состав литейного чугуна и оказывать заметное воздействие на структуру и свойства отливок. Добавки некоторых из этих элементов производят специально, в то время как другие представляют собой примеси, привнесенные в металл из шихты. Некоторые из этих элементов оказывают положительное воздействие, особенно в сером чугуне, в то время как другие оказывают отрицательное воздействие и попадания их с расплав следует избегать. В таблице перечислены обычные источники этих элементов, часто встречающиеся уровни их содержания и основное воздействие на чугун. Результаты применения некоторых элементов в качестве основных легирующих (например, хром), в таблице не указаны.

Влияние химического состава и скорости охлаждения на микроструктуру чугуна

В обычных серых чугунах , кроме железа и углерода , имеются следующие примеси: Si, Mn, Р« S. В чугуны, обладающие специальными свойствами, как отмечалось выше, могут входить и легирующие примеси: Ni, Cr, Mo, Ti, Си и др Находящиеся в чугуне примеси влияют на количество и строение выделяющегося графита.

Углерод в чугуне

При изготовлении отливок для машиностроения содержание углерода колеблется для обычных серых чугунов от 3,0 до 3,7%. В качественных чугунах содержание углерода снижается вплоть до 2,7 % С повышением содержания углерода в чугуне увеличивается, выделение графита, а следовательно, возрастает склонность чугуна затвердевать серым.

Во всех случаях нижние пределы содержания углерода принимают для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.

Кремний в чугуне

Кремний способствует выделению углерода в виде графита в процессе затвердевания чугуна и разложению выделившихся кристаллов цементита При разложении цементита образуются феррит и графит. Изменяя содержание кремния в чугуне, можно регулировать соотношение количеств связанного углерода и свободного графита.

Совместное влияние углерода и кремния

Совместное влияние углерода и кремния на структуру чугуна видно из структурной диаграммы, показанной на рис. 72, а . На диаграмме по линии абсцисс отложено содержание в чугуне кремния, а на оси ординат — содержание углерода.

Марганец в чугуне

Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом без образования каких-либо новых структурных составляющих. Марганец несколько препятствует графитизации чугуна. Увеличение содержания марганца до 0,8—1,0% повышает механические свойства чугуна, особенно в тонкостенных отливках. Кроме того, марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Обычно содержание марганца в сером чугуне колеблется з пределах 0,5—0,8%.

Фосфор в чугуне

Фосфор в количестве 0,1—0,3% в твердом чугуне находится в растворенном состоянии. При больших содержаниях фосфор образует тройную фосфидную эвтектику Fe + Fe 3 P + Fe 3 C с температурой плавления 950°. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика выделяется в виде сплошной еетки по границам зерен, в результате чего повышается хрупкость чугуна. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственного литья допускают содержание фосфора до 0,2—0,3%. Отливки, работающие на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% росфора. При производстве тонкостенного и художественного литья для увеличения жидкотекучести чугуна в него добавляют около 1 % фосфора.

Сера в чугуне

Сера с железом образует сернистое железо FeS. При затвердевании чугуна сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику Fe + FeS, которая плавится при 985°. Она затвердевает в чугуне последней и располагается между зернами, вызывая хрупкость и понижение прочности чугуна при повышенных температурах Это явление называют красноломкостью.

Вредное влияние серы в чугуне может быть нейтрализовано добавкой марганца в количестве, превышающем содержание серы в 5—7 раз. Сера образует с марганцем сернистый марганец, который плавится при 1620° и находится в расплавленном чугуне в твердом виде.

Сера ухудшает литейные свойства чугуна : понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин, поэтому содержание серы в чугуне ограничивают 0,12%. Для менее ответственных и простых по конфигурации отливок допускается содержание серы до 0,15—0,16%. В высокопрочных чугунах допускается минимальное содержание серы — 0,03%.

Легирующие элементы Сr, Ni, Mo, Ti и другие повышают прочность чугуна. При этом хром способствует отбелу чугуна (т. е. препятствует выделению графита), а никель оказывает обратное действие. Поэтому обычно эти два элемента применяют совместно для легирования чугуна. При легировании чугуна структура перлита размельчается и он переходит в сорбит или троостит, или мартенсит. При содержании свыше 10—15% Ni или около 15% (Мn + Сu) серый чугун становится аустенитным (немагнитным).

Скорость охлаждения отливки

Скорость охлаждения отливки оказывает значительное влияние на образование структуры чугуна. Увеличение скорости охлаждения отливки способствует повышению содержания в чугуне цементита; с уменьшением скорости охлаждения увеличивается содержание в чугуне графита. Структурная диаграмма на рис. 72, а построена для случая постоянной скорости охлаждения для отливки с толщиной стенки 50 мм, поэтому данной диаграммой нельзя пользоваться для практических расчетов химического состава отливок, имеющих различную толщину стенки.

На рис. 72, б приведена структурная диаграмма, учитывающая зависимость состава чугуна и толщины стенки отливки. Критерием скорости охлаждения отливки в диаграмме принята толщина стенки отливки в миллиметрах (чем больше толщина отливки, тем меньше будет скорость ее охлаждения).

На оси ординат диаграммы отложена сумма углерода и кремния, а на оси абсцисс — толщина стенок отливки. Области, разграниченные кривыми, обозначают те же микроструктуры, что и на диаграмме рис. 72, а.

Ссылка на основную публикацию